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【唐智勇&李连山Nature Chem】共价聚合物微孔膜用于有机溶剂中的过滤分离

——背景——

分离和提纯一直是化工行业重要的生产环节。据估计分离过程的能耗大约占整个化工用能的40%。膜分离技术因为比较节能,在分离和提纯过程中发挥着重要的作用。如使用离子交换膜,结合反渗透技术能够对海水进行淡化。相比水相分离,有机溶液体系中的分离要更加困难。这主要是因为在有机溶液当中,由于大部分物质无法电离,因此无法借助电荷的排斥或吸引来进行分离,仅仅能够依靠分子的大小来对物质进行分离。传统分离有机溶剂的方法主要是通过加热的方法来进行精馏,这个过程十分耗能。因此,开发高性能的滤膜通过过滤的工艺,有效截留目标分子且让溶剂顺利通过具有重要的工业应用价值。

【唐智勇&李连山Nature Chem】共价聚合物微孔膜用于有机溶剂中的过滤分离

第一作者:Bin Liang, Hui Wang

通讯作者:Zhiyong Tang, Lianshan Li

通讯单位:国家纳米中心

——本文亮点——

在今天上线的这篇“Nature Chemistry”中,来自国家纳米中心的唐智勇和李连山研究团队通过采用一种表面引发聚合的方法,制备了共价微孔滤膜(CMP)。因为CMP的骨架结构是由共价键构成,因此其结构非常稳定;以聚丙烯腈作为基底,在表面负载一层42 nm厚的CMP(CMP/PAN)。无论在正己烷(非极性溶剂)还是甲醇(极性溶剂)中,能实现非常高的过滤通量。(32 m-2 h-1bar-1 和221 m-2 h-1bar-1

论文的主要创新点有:

1.       通过C-C和C-H共价键的构筑使得聚合物薄膜具有非常好的化学惰性,在有机溶液中能稳定存在;

2.       滤膜的构筑借鉴了共价有机框架化合物,薄膜中含有丰富的孔结构;

3.       滤膜中的孔径大小可以通过分子工程的方法对孔径进行有效的调节,可以根据分离的需要来调控孔径的大小。

 

——图文快解——

【唐智勇&李连山Nature Chem】共价聚合物微孔膜用于有机溶剂中的过滤分离

图1 滤膜CMP/PAN的制备步骤

 

【唐智勇&李连山Nature Chem】共价聚合物微孔膜用于有机溶剂中的过滤分离

图2 滤膜的简要制备步骤和CMP的结构表征

 

【唐智勇&李连山Nature Chem】共价聚合物微孔膜用于有机溶剂中的过滤分离

图3 CMP/PAN的性能测试

 

【唐智勇&李连山Nature Chem】共价聚合物微孔膜用于有机溶剂中的过滤分离

图4 不同滤膜的结构表征

 

小编感想:近年来,中国研究人员在分离方面的研究成果几次问鼎顶级期刊。

大连化物所杨维慎研究员和李砚硕研究员带领的研究团队在美国《科学》杂志发表了题为“Metal-organic framework nanosheets as building blocks for molecular sieve membranes” 的研究成果。该团队在国际上首次成功地将二维金属有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks, MOFs)开层获得了单分子层厚度的分子筛纳米片。在此基础上,通过热组装方法得到厚度; 5nm的超薄分子筛膜。该分子筛膜可以快速而精确地筛分尺寸差异仅为0.04 纳米的氢气和二氧化碳分子,从而将后者有效截留。该纳米片分子筛膜的渗透通量和分离选择性远远超过了文献报道的氢气/二氧化碳分离膜,是文献显示唯一能达到二氧化碳燃烧前捕获应用要求的膜材料。(Science 2014 (346) 1356-1359)

 

2016年5月19日,浙江大学邢华斌教授课题组利用了SiF6与碱性更强的乙炔有更强作用的特点,成功地进行了乙烯/乙炔的分离(乙烯pKa= 25;乙炔pKa= 44)。例如,通过DFT-D计算和中子衍射实验可以发现,使用SIFSIX-1-Cu-I进行对C2H2/C2D2吸附的时候,几个C2H2/C2D2分子通过协同作用,与框架形成了C-H…F氢键;而C2D4仅仅只存在于孔道的中间,并未与框架发生很明显的相互作用。(Science2016, 353, 141)

 

2017年6月16日,Science上线了中山大学陈小明院士和张杰鹏教授领导的团队的研究成果。该团队报道了一种新型的亲水性Zn MOF结构,可以更好的容纳1,3-丁二烯的顺式异构构象。对于丁烷和丁烯分子,因为共轭π结构被破坏,与该MOF结合地更弱。利用这种优先脱附机制,作者实现了温和条件下的选择性为99.5%的1,3-丁二烯的高效纯化。(Science  16 Jun 2017: DOI: 10.1126/science.aam7232

 

2017年10月9日,《Nature》杂志在线刊登了上海应用物理所&上海大学题为“通过离子控制石墨烯氧化膜层间距实现离子筛分(“Ion sieving in graphene oxide membranes via cationic control of interlayer spacing”)的研究论文。研究提出并实现了通过水合离子精确控制石墨烯膜的层间距,展示出优异的离子筛分和海水淡化性能。Nature,550, 380–383 (19 October 2017) DOI:10.1038/nature24044 

 

——作者简介——

【唐智勇&李连山Nature Chem】共价聚合物微孔膜用于有机溶剂中的过滤分离

唐智勇

1993年毕业于武汉大学环境科学系

1996年在武汉大学环境科学系获理学硕士学位

2000年在中国科学院长春应用化学研究所获理学博士学位,指导老师为汪尔康院士。

2000-2001年,2001-2006年分别在瑞士苏黎世联邦高等工业学院Prins教授研究小组和美国密歇根大学Kotov教授研究小组从事纳米材料的研究工作。

2006年11月回国加入国家纳米科学中心,入选科学院“百人计划”。 并任国家纳米科学中心研究员,纳米材料研究室主任,哈尔滨工业大学兼职教授。

2010年获国家杰出青年科学基金资助。

2018年5月,任国家纳米科学中心副主任

课题组主页:http://www.nanoctr.cn/zhiyongtang/ketizu/

 

【唐智勇&李连山Nature Chem】共价聚合物微孔膜用于有机溶剂中的过滤分离

李连山

2001.09-2005.07 本科,中国石油大学(北京)化学与化工学院
2005.09-2010.07 硕博连读,北京大学化学与分子工程学院
2010.08-2012.08 博士后,University of Toronto
2012.08-至今 副研究员,国家纳米科学中心

个人主页:http://sourcedb.nanoctr.cas.cn/zw/zxrck/201210/t20121010_3656607.html

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